BIOCHAR | 氮化铁改性生物炭对温室气体减排效应及机理的理论研究
首次提出FeN3改性生物炭用于稻田温室气体减排。
FeN3改性生物炭展现出对稻田温室气体的优异吸附性能。
FeN3改性生物炭增强了对稻田温室气体的物理化学吸附行为。
全球变暖导致生态系统稳定和人类安全正面临严重威胁。先前研究发现，氮化铁（FeN3）改性生物炭在降低重金属污染方面展现出优异的性能。然而，FeN3改性生物炭对稻田温室气体的减排效果及机理尚不清楚。
稻田是农业领域中温室气体（GHGs）的主要排放源。虽然生物炭被认为是减少稻田温室气体的潜在候选者。但是尚无一致的结论表明生物炭可以同时减少甲烷（CH4）、氧化亚氮（N2O）和二氧化碳（CO2）的排放。在此，研究人员通过第一性原理计算，提出了FeN3改性生物炭（FG）作为减少稻田温室气体排放的有效材料。计算结果表明，FG对CH4、CO2和N2O表现出令人满意的吸附能力，将吸附能分别提高到–1.37、–1.54和–2.91 eV。此外，态密度（DOS）分析揭示了导致FeN3改性生物炭表现出优异吸附能力主要归结于FG在吸附CH4、CO2或N2O时，Fe d、C p、O p或N p轨道的电子发生强烈的能量转移。本研究提出了一种先进的改性生物炭材料，用于减少稻田中的温室气体排放，此外还探索了FeN3改性生物炭的吸附特性和温室气体减排机制，这为探索生物炭改性和高效稻田减排材料的开发提供了策略。
图形摘要
相比于纯生物炭，FeN3改性生物炭不仅改变了温室气体分子的结构，还将吸附能力分别提高到–1.37、–1.54和–2.91 eV。
差分电荷密度、电子定域函数和Bader电荷分析结果证实，FeN3改性生物炭显示出较纯生物炭更高的物理化学吸附能力。
吸附温室气体时，Fe d，C p，O p和N p轨道的电子能量偏移是FeN3改性生物炭表现出优异吸附能力的主要原因。
王泓睿（第一作者）
湖南农业大学农学院
博士研究生
傅志强（通讯作者）
湖南农业大学农学院
https://link.springer.com/article/10.1007/s42773-023-00224-y